Robert Maniura

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 9: Równowaga ciecz - para w układach dwuskładnikowych.

1. Wyniki ćwiczenia:

Tabela roztworów ze składem w ml, temperaturą wrzenia, ze współczynnikiem załamania światła zmierzonym przed destylacją dla poszczególnych mieszanin oraz ze współczynnikiem załamania światła zmierzonym po destylacji dla destylatu i kondensatu.

Roztwór					Temperatura wrzenia [^0C]		Współczynnik załamania światła przed destylacją nD		Współczynnik załamania światła po destylacji nD
nr		Skład [ml]
																		destylat		kondensat
				toluen					chloroform
1	20	80		60,3			1,4550		1,4525		1,4476
2	30	70		63,5			1,4535		1,4595		1,4489
3	70	30		84,9			1,4780		1,4785		1,4720
4	80	20		86,0			1,4760		1,4825		1,4775

Współczynniki załamania światła czystych substancji:

• toluen - 1,4923

• chloroform - 1,4420

Temperatury wrzenia czystych substancji:

• toluen - 110,62
  C

• chloroform - 61,73
  C

2. Opis teoretyczny.

Wrzenie, krzepnięcie przemiana grafitu w diament - są to wszystko przykłady przemian fazowych, czyli zmiany jednej fazy w inną, którym nie towarzyszy zmiana składu chemicznego. Przemiany fazowe mogą dotyczyć zarówno czystych substancji, jak również prostych roztworów.

Stale jako wiodącą zasadę przyjmować będziemy w naszych rozważaniach tendencję układu, znajdującego się w ustalonych warunkach p i T, do zmniejszania swojej entalpii swobodnej. Pod danym p, entalpia swobodna fazy maleje w miarę zwiększania T i w pewnej temperaturze może stać się mniejsza od entalpii swobodnej innej fazy. Temperaturę, w której następuje przemiana fazowa określa się jako temperaturę przemiany fazowej. W temperaturze przemiany entalpie swobodne obu faz mają taką samą wartość i nie obserwuje się tendencji do przemiany jednej w drugą, z czego wynika, że obie fazy są w równowadze.

Wykres fazowy czystych substancji można przyrównać do mapy, która pokazuje, w jakich warunkach p i T dana faza jest termodynamicznie trwała. Linie ograniczające obszary trwałości faz, nazywane liniami równowagi, określają pary wartości p i T, dla których dane dwie (lub więcej) fazy znajdują się w równowadze. Ciśnienie pary znajdującej się w równowadze ze swą fazą ciekłą nazywamy ciśnieniem pary nasyconej danej substancji.

Wyznaczanie przebiegu linii równowagi ciecz - ciało stałe i ciało stałe - ciało stałe wymaga metod bardziej złożonych, gdyż przemiana fazowa nie uwidacznia się tutaj tak wyraźnie. Jedną z metod jest analiza termiczna.

Wykresy fazowe układów dwuskładnikowych. W każdym przypadku należy pamiętać, że postać wykresu fazowego ustala się doświadczalnie, zazwyczaj wyznaczając temperatury przemian fazowych w szeregu mieszanin o różnym składzie ilościowym. Interpretując wykres fazowy, będziemy przywoływać w myśli to postępowanie, niejako odwracając zagadnienie - o tym, jak odczytywać wykres fazowy, powie nam znajomość tego, jak się go konstruuje.

Przed przystąpieniem do opisu poszczególnych przypadków przydatne będzie podanie ogólnych wniosków wynikających z reguły faz. W układzie o dwóch składnikach (s = 2) reguła faz przyjmuje postać: z = 4 - f. Dla uproszczenia dyskusji przyjmiemy, że ciśnienie ma wartość ustaloną, co angażuje jeden stopień swobody pozostałych do dyspozycji będzie z' = 3 - f. Jednym z tych stopni swobody jest temperatura, innym - stężenie jednego ze składników. Równowagi fazowe w takim układzie (dla p = const) będziemy mogli przedstawić na wykresie: temperatura - skład.

Omówię teraz roztwory dwuskładnikowe, w których oba składniki są lotnymi cieczami, a w szczególności zajmiemy się związkiem między temperaturą wrzenia roztworu a jego składem. Znajomość tego związku ma podstawowe znaczenie dla zagadnienia rozdziału cieczy przez destylację frakcjonowaną. Intuicyjnie możemy oczekiwać, że temperatura roztworów dwóch lotnych cieczy będzie zmieniać się regularnie od wartości temperatury wrzenia jednej cieczy, gdy tylko ta ciecz znajduje się w kolbie destylacyjnej, do wartości temperatury wrzenia drugiej cieczy, gdy w kolbie znajduje się wyłącznie ta druga. Istotnie, oczekiwanie to często się sprawdza.

Para w równowadze z wrzącą cieczą będzie zawierała oba składniki i również możemy intuicyjnie oczekiwać, że zawartość składnika bardziej lotnego w parze będzie większa niż w cieczy. Także to oczekiwanie jest często spełnione i górna linia na wykresie pokazuje skład pary będącej w równowadze z wrzącą cieczą. Aby określić skład pary nad roztworem, odszukujemy na wykresie punkt przedstawiający temperaturę wrzenia roztworu i kreślimy poziomą linię koniugacji (inaczej linię splotu). Punkt jej przecięcia się z górną krzywą na wykresie podaje skład pary. Wykresy takie sporządza się, mierząc temperaturę wrzenia szeregu roztworów i określając skład pary będącej w równowadze z każdą z wrzących cieczy.

Wprawdzie wiele roztworów dwóch cieczy charakteryzuje się wykresami podobnymi do opisanych wyżej, jednak dość często wykres temperatura - skład ma postać zasadniczo odmienną. Niekiedy krzywe temperatura - skład wykazują maksimum. Tak zachowują się układy, w których oddziaływanie międzycząsteczkowe obniżają ciśnienie pary nad roztworem poniżej wartości odpowiadającej roztworom idealnym. Znane są również układy, w których obserwuje się przy pewnym składzie minimum temperatury wrzenia.

Występowanie maksimum lub minimum na wykresie temperatura - skład ma ważne konsekwencje dla przebiegu destylacji, mówimy że roztwór ma skład azeotropowy lub jest azeotropem (dla minimum - jest azeotropem dodatnim, a dla maksimum - jest azeotropem ujemnym).

3. Opis ćwiczenia.

Z toluenu i chloroformu sporządziłam serię 100 ml roztworów o następujących składach wyrażonych w procentach objętościowych:

1 - 20 ml toluenu i 80 ml chloroformu

2 - 30 ml toluenu i 70 ml chloroformu

3 - 70 ml toluenu i 30 ml chloroformu

4 - 80 ml toluenu i 20 ml chloroformu

W celu wyznaczenia krzywej kalibracji zmierzyłam współczynniki załamania światła sporządzonych roztworów i czystych substancji.

Do kolby zestawu destylacyjnego wlewałam kolejno roztworu i doprowadzałam mieszaniny do wrzenia. Po ustaleniu się temperatury notowałam temperaturę wrzenia mieszanin. Pobierałam również próbki kondensatu i destylatu w celu wyznaczenia współczynnika załamania światła.

4. Opracowanie wyników.

Roztwór				Temperatura wrzenia [ C]	Współczynnik załamania światła n
nr	Skład
		w [ml]	ułamki molowe			% wagowe
1	20 ml toluenu 80 ml chloroformu	x = 0,16 x = 0,84	%w = 12,78% %w = 87,22%	60,3	1,4550
2	30 ml toluenu 70 ml chloroformu	x = 0,25 x = 0,75	%w = 20,07% %w = 79,93%	63,5	1,4535
3	70 ml toluenu 30 ml chloroformu	x = 0,64 x = 0,36	%w = 57,75% %w = 42,25%	84,9	1,4780
4	80 ml toluenu 20 ml chloroformu	x = 0,75 x = 0,25	%w = 70,09% %w = 29,91%	86,0	1,4760

Z wartości z tabeli powyższej wykreślam wykres nr 1 zależności współczynnika załamania światła od składu mieszaniny.

Na podstawie wykresu nr 1 i danych doświadczalnych (n_kond i n_dest ) odczytuje skład pary i skład cieczy i sporządzam diagram fazowy ciecz-para dla badanego układu oraz zależność składu pary do składu cieczy (dane do diagramu są w poniższej tabeli - wykres nr 2 i 3).

nr	Skład pary [%]	Skład cieczy [%]	Temperatura wrzenia [ C]
1	%w = 5,50% %w = 94,50%	%w = 12,78% %w = 87,22%	60,3
2	%w = 11,00% %w = 89,00%	%w = 20,07% %w = 79,93%	63,5
3	%w = 41,50% %w = 58,50%	%w = 57,75% %w = 42,25%	84,9
4	%w = 54,00% %w = 46,00%	%w = 70,09% %w = 29,91%	86,0

5. Dyskusja na temat uzyskanych rezultatów.

W rezultatach otrzymanych podczas wykonywania ćwiczenia nie uniknąłam błędów spowodowanych niedokładnością pomiarów. Nie mogłam przeprowadzić dyskusji na temat popełnionych błędów ponieważ w żadnym z dostępnych źródeł nie ma podanego przykładu, który wykonywany był podczas ćwiczenia. Nie mogłam także sprawdzić jak duże błędy zostały popełnione.

Skład pary będącej w równowadze z roztworem w temperaturze wrzenia odczytałem z wykresu, według reguł ustalonych powyżej w opisie teoretycznym.

Podczas ćwiczenia wykonałam cztery pomiary, z których mogę wywnioskować że mieszanina toluenu z chloroformem nie jest zeotropem. Jest to mieszanina, którą można poprzez destylację rozdzielić na dwie substancje czyste. Można również zauważyć, że temperatura wrzenia roztworów toluenu z chloroformem zmienia się regularnie od temperatury wrzenia czystego chloroformu do temperatury wrzenia czystego toluenu.

4

---